Magnesium deficiency induced responses in crop physiology: impacts on photosynthesis, light utilization, and photoprotection

Intensive landwirtschaftliche Produktion ohne Ausgleich von Makro- und Mikro-Nährstoffen, die von den Pflanzen aufgenommen oder durch Regen aus dem Boden ausgewaschen werden, führt zu Nährstoffmangel in Böden und Pflanzen. In der Folge führt dies zu Nährstoffmängeln bei Nutztieren und Menschen. Magnesium (Mg) ist einer der wichtigsten Makronährstoffe, der von den Pflanzen aus dem Boden aufgenommen wird. Mg ist das Kernelement der Chlorophyll-Pigmente, die sich in den Chloroplasten befinden, wo die Photosynthese stattfindet. Mg wird für verschiedene Enzyme und enzymatische Aktivitäten benötigt. Eines der wichtigsten Enzyme der Photosynthese, das Mg für seine Aktivierung benötigt, ist die Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (Rubisco). Assimilate werden dann von den Quellorganen (Blätter) zu den Senken-Organen (jüngere Blätter, Früchte und Samen) transportiert. Daher wird Mg für eine ausreichende Produktion von Trockenmasse (TM) benötigt. Aufgrund des hohen Mg-Bedarfs der Chloroplasten können photosynthetische Reaktionen empfindlich auf Mg-Knappheit reagieren. Außerdem wird unter Mg-Mangel die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) erhöht. ROS sind toxisch und können zum Zelltod führen. Daher haben Pflanzen photoprotektive Mechanismen entwickelt, um die übermäßige ROS-Produktion zu unterbinden. Nicht-photochemisches Quenchen (NPQ) ist als einer der photoprotektiven Mechanismen bekannt, bei der überschüssige absorbierte Energie als Wärme abgeleitet wird. Es gibt zahlreiche Studien mit verschiedenen Pflanzen, die den Einfluss von Mg-Mangel auf die TM-Bildung, das Spross- und Wurzelwachstum, die ROS-Konzentration und die Aktivität von ROS-Fängern untersuchen. Eine kritische Mg-Konzentration, die jeden der genannten Parameter beeinflusst, wurde jedoch nicht eingeführt. In dieser Dissertation wird der Einfluss von Mg-Mangel auf photosynthetische Parameter, Photoprotektion und Pflanzenphysiologie am Beispiel von Weizen, Sonnenblume, Gerste und Spinat untersucht. Die Pflanzen wurden hydroponisch kultiviert. Im zweiten Kapitel wurde in sieben Stufen ein schmaler Bereich von Mg-Mangel induziert; in den folgenden Kapiteln wurden diese nochmals auf drei Behandlungen verringert. Der Mg-Mangel verringerte die CO2-Assimilation signifikant in allen genannten Kulturpflanzen außer Weizen. Eine verringerte Assimilationsrate ist häufig mit verringerten Aktivitäten von Enzymen, die an der CO2-Fixierung beteiligt sind, wie Rubisco und Rubisco-Aktivase, verbunden. Darüber hinaus hat die verringerte Translokation von Assimilaten von den Quellorganen zu den Senken und die Akkumulation von Assimilaten in den Quellorganen einen negativen Einfluss auf die Rubisco-Aktivität. In dieser Hinsicht wies die erfasste Spross- und Wurzel-TM in Spinatpflanzen auf verringerte Translokation von Assimilaten hin, die eine Reduktion des Wurzelwachstums unter Mg-Mangel einschloss. Die Chlorophyll-Fluoreszenzmessungen liefern eine relativ gute Information über die photosynthetische Effizienz. Einige der Parameter, die mit dieser Methode gemessen wurden, sind die maximale Quanteneffizienz (Fv/Fm), das photochemische Quenching (qP), NPQ und die Elektronentransportrate (ETR), um nur einige zu nennen. qP war in Sonnenblume, Weizen und Spinat unter Mg-Mangel unbeeinflusst, während es in Gerste signifikant verringert war. qP ist ein Indikator für den Anteil der offenen Reaktionszentren. Daher spiegelt die Verringerung seines Wertes die erhöhte Anzahl geschlossener Reaktionszentren wider, und darüber hinaus eine Verringerung der Kapazität des Elektronentransports und folglich eine Verringerung der ETR. ETR wurde in Sonnenblume und Gerste erheblich reduziert, während es in Weizen und Spinat unbeeinflusst blieb. Die Abnahme von ETR schädigt die gesamte Elektronentransportkette vom Photosystem II (PSII) zum Photosystem I und reduziert somit die Assimilationsrate. Mg-Mangel führte zu Reduzierungen von Fv/Fm in Sonnenblume, Gerste und Weizen. Reduzierungen von Fv/Fm können ein Indikator für eine Schädigung des photosynthetischen Apparates sein. Außerdem kann ein Rückgang von Fv/Fm auf eine Photoinhibition von PSII aufgrund von photooxidativen Schäden hinweisen. Photooxidative Schäden sind eine Folge von übermäßiger ROS-Bildung. Um die Photoprotektionseffizienz und das Niveau der photooxidativen Schäden zu untersuchen, wurde die Genexpression von ROS-fangenden Enzymen in Gerste und Spinat analysiert. In Gerste waren die Expressionsniveaus von Katalase, Glutathion-Reduktase und Superoxid-Dismutase erhöht, während kein Anstieg der Ascorbat-Peroxidase-Expression beobachtet wurde. In Spinat wurde keine Erhöhte Expression der genannten Gene beobachtet. Die ROS-Bildungsrate unter Mg-Mangel ist zudem abhängig von der Lichtintensität, die unter den Wachstumsbedingungen zur Verfügung steht. Höhere Lichtintensitäten verstärken die ROS-Bildung unter Mg-Mangel. Der Violaxanthin (Vx)-Zyklus ist als einer der wichtigsten photoprotektiven Mechanismen in hochlichtakklimatisierten Pflanzen bekannt und trägt zur Verhinderung einer übermäßigen ROS-Bildung durch NPQ bei. Die am Violaxanthin (Vx)-Zyklus beteiligten Pigmente Antheraxanthin (Ax) und Zeaxanthin (Zx) wurden quantifiziert, um die Auswirkungen von Mg-Mangel auf die Photoprotektion in Gerste und Spinat zu untersuchen. Die Zunahme der VAZ (Vx+ Ax+ Zx) - Poolgröße unter Mg-Mangel in Gerste deutete auf eine Notwendigkeit für den Photoprotektion gegen oxidative Schäden hin. Die Zunahme der VAZ-Poolgröße wird jedoch als NPQ-unabhängige Funktion gedeutet. In Übereinstimmung damit wurde keine Erhöhung des NPQ-Wertes durch Chlorophyll-Fluoreszenz-Messungen beobachtet. Der Mg-Mangel induzierte keinen Anstieg des NPQ-Wertes oder der VAZ-Pool-Größe im Spinat. Daher konnten wir keinen photooxidativen Stress in Spinatpflanzen unter Mg-Mangel bestätigen. Insgesamt trägt diese Studie zu einem besseren Verständnis der Einflüsse von Mg-Mangel auf photosynthetische und photoprotektive Mechanismen bei. Sie hilft, die Wissenslücken zu schließen, die hinsichtlich der kritischen Mg-Versorgung für bestimmte physiologische und biochemische Mechanismen bestehen. Darüber hinaus verbessert es die Umsetzung von Düngungsstrategien.

Intensive agricultural production without compensation of macro- and micro-nutrients that are taken up by the plants or leached out from the soil by rain, leads to nutrient deficiency in soils and plants. Subsequently, it leads to nutritional deficiencies in livestock and humans. Magnesium (Mg) is one of the most vital macro-nutrients that is taken up by the plants from the soil. Mg is the core element of chlorophyll pigments, which are in chloroplasts where photosynthesis takes place. Mg is required for several enzymes and enzymatic activities. One of the most important enzymes in photosynthesis that requires Mg for its activation is Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco). Photosynthates are then transported from source organs (leaves) to sink organs (younger leaves, fruits, and seeds). Therefore, Mg is required for adequate dry matter (DM) production. Due to the high requirement of Mg in chloroplasts, photosynthetic reactions can respond more sensitively to Mg scarcity. Moreover, under Mg deficiency, the level of reactive oxygen species (ROS) formation is enhanced. ROS are toxic and can lead to cell death. Nevertheless, plants have developed photoprotective mechanisms to overcome the excessive ROS production. Non-photochemical quenching (NPQ) is known as one of the photoprotective mechanisms, where excessive absorbed energy is dissipated as heat. There have been several studies with various plants that investigate the influence of Mg deficiency on DM formation, shoot and root growth, ROS concentration, and ROS scavengers’ activity. However, a critical Mg concentration that is determined to be influential on each of the mentioned parameters was not introduced. In this Ph.D. project, the influence of Mg deficiency on photosynthetic parameters, photoprotection, and physiology of wheat, sunflower, barley, and spinach which were grown hydroponically, is studied. A narrow range of Mg deficiency, including seven deficiency treatments was induced in chapter 2, where the range was narrowed down to three in chapter 3 and 4. The Mg deficiency had a significant influence on decreased CO2 assimilation in all the mentioned crops except wheat. Reduced assimilation rate is frequently associated with reduced activities of enzymes involved in CO2 fixation such as Rubisco and Rubisco activase. Moreover, the decreased level of photosynthates’ translocation from source organs to sinks, and the photosynthates’ accumulation in source organs, has a negative impact on Rubisco activity. In this regard, the measured shoot and root DM in spinach plants revealed the reduced translocation of photosynthates which included root growth reduction under Mg deficiency. The chlorophyll fluorescence measurements provide a relatively good information about photosynthetic efficiency. Some of the parameters that were measured by this method are maximum quantum efficiency (Fv/Fm), photochemical quenching (qP), NPQ, and electron transport rate (ETR) to name a few. qP was unaffected in sunflower, wheat, and spinach. Whereas it was significantly decreased in barley. qP is an indicator of the proportion of the open reaction centers. Hence, the reduction in its value reflects the increased number of closed reaction centers, and moreover a decrease in the capacity of electron transportation and subsequently a decrease in ETR. ETR was reduced substantially in sunflower and barley, whereas it was unaffected in wheat and spinach. The decrease in ETR damages the whole electron transport chain from photosystem II (PSII) to photosystem I and hence reducing the assimilation rate. Mg deficiency resulted in reductions in Fv/Fm in sunflower, barley, and wheat. Reductions in Fv/Fm can be an indicator of a damage in the photosynthetic apparatus. Moreover, a decline in Fv/Fm can indicate photoinhibition of PSII due to a photooxidative damage. Photooxidative damage is a result of excessive ROS formation. In order to investigate the photoprotection efficiency and photooxidative damage levels, gene expression of ROS scavenging enzymes was analyzed in barley and spinach. In barley the expression levels of catalase, glutathione reductase, and superoxide dismutase were increased, whereas no increase in ascorbate peroxidase expression was observed. In spinach no increase in the expression level of any of the mentioned genes was observed. The level of ROS formation under Mg deficiency is also dependent on the light intensity available at the growth condition. Higher light intensities enhance the ROS formation under Mg deficiency. Violaxanthin (Vx) cycle is known as one of the most important photoprotective mechanisms in high-light acclimated plants and contributes to the prevention of excessive ROS formation by NPQ. The pigments involved in violaxanthin (Vx) cycle were quantified to study the impacts of Mg deficiency on photoprotection in barley and spinach. Vx is converted to zeaxanthin (Zx) via antheraxanthin (Ax). The increase in the VAZ (Vx+ Ax+ Zx)-pool size under Mg deficiency in barley indicated a requirement for photoprotection against oxidative damage. However, the increase in VAZ-pool size was served as a NPQ-independent function. In line with this, no increase in the NPQ value by chlorophyll fluorescence measurements was observed. The Mg deficiency did not induce any increase in NPQ value or VAZ-pool size in spinach. Therefore, we could not confirm any photooxidative stress in spinach plants under Mg deficiency. In overall, this study contributes to better understanding of influences of Mg deficiency on photosynthetic and photoprotective mechanisms. It provides insights and helps to close the knowledge gaps that exist regarding the critical Mg supply for certain physiological and biochemical mechanisms. Furthermore, it improves implementation of fertilization strategies.

2021-11-25